一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法及一种器件技术

本发明专利技术公开了一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法，先在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形，然后基于第一键合金属图形制作器件保护结构；器件保护结构包括第一槽型腔体，第一槽型腔体的底面为第一键合金属图形；然后在第二器件结构上制作出第二键合金属图形之后，在第一槽型腔体中对第一器件结构和第二器件结构进行金属共晶键合。由于器件保护结构包括第一槽型结构，因此在进行金属共晶键合时，可将金属共晶键合时外溢的液相合金流入第一槽型腔体内，会对外溢的液相合金起到阻隔作用，使之无法自由滚动，从而有效避免外溢的液相合金扩散到器件结构区域。此方式不但提高金属键合的气密等级，而且提高了MEMS器件生产制造的良率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统制造、晶圆级真空封装
，尤其涉及一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法及一种器件。
技术介绍
键合(Bonding)是指通过物理、化学或两者共同作用，将两种相同或不同材料基片紧密粘合在一起的工艺过程。金属共晶键合，是近年来被广泛应用于加速度计、陀螺仪以及压力计等传感器的晶圆级真空封装技术，并已成为MEMS(微机电系统，MicroelectromechanicalSystems)器件开发和实用化的一种关键技术。金属共晶键合采用金属层作为中间键合介质层，通过加热熔融使两种金属紧密的结合在一起，进而实现键合。所谓共晶体，就是两种(或多种)金属不以原子的形式互相固溶，而以晶粒形式互相结合构成的机械混合物状态。共晶体一般有一个共晶点，共晶点的温度比两种金属的熔点都低。在共晶温度时能形成共晶的两种金属相互接触，经过互扩散后便可在其间形成具有共晶成分的液相合金，随时间延长，液相层不断增厚，冷却后液相层又不断交替析出两种金属，每种金属一般又以自己的原始固相为基础而长大、结晶析出，因此两种金属之间的共晶能将两种金属紧密地结合在一起。由于温度分布不均匀和杂质的影响，共晶键合的作业温度略比共晶点高。为了形成可靠的键合，阻止键合面的污染和氧化，共晶键合一般在真空或惰性气体环境中进行。在三维系统封装技术中，金属共晶键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。相比于MEMS器件常用的其它键合方法(阳极键合、硅-硅直接键合以及粘结剂键合等)，由于使用了金属介质材料，共晶键合片具有更低的透气性，因此可以提供更好的气密等级。同时，共晶键合需要的密封金属环宽度更窄，使得新型MEMS器件可以满足更小的封装尺寸要求。共晶键合技术在形成密封金属环的同时，还为芯片提供了电通路，可以方便的引入垂直互联金属层，实现晶片堆叠封装技术，从而进一步降低芯片制造和封装成本。现有的金属共晶键合封装过程，都是在器件硅片及盖帽硅片上直接溅射或蒸发金属层，然后通过光刻、刻蚀等一系列工艺步骤制作出共晶键合区金属图形(所谓的金属键合环)，然后将两片将要键合的晶圆在键合机内加温、加压，进而实现晶圆级金属共晶键合，参看图9，是将器件硅片10与盖帽硅片11共晶键合在一起的剖视图。但是由于进行金属共晶键合的两种金属相互接触后，键合界面经过相互扩散形成具有共晶成分的液相合金7，两种金属是以液相共融的方式结合在一起，因此这种封装过程存在一定的缺陷，即在加压、加温过程中，共晶成分的液相合金7会存在外溢现象，参看图10，将器件硅片10与盖帽硅片11共晶键合后有液相合金7外溢现象的剖视图。在没有保护结构的情况下，溢出的液相合金7就会掉落在器件结构区9，从而存在一定几率使器件结构失效，导致整个MEMS器件的制作最终失败。
技术实现思路
本专利技术基于上述所存在的缺陷，设计了一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法及一种器件。能够有效的将液相合金的溢出部分阻隔在键合区域，阻止其掉落在MEMS的器件结构区，从而避免了由于共晶键合工艺导致器件工作失效问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法，所述方法包括：在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形；基于所述第一键合金属图形制作器件保护结构；所述器件保护结构完全覆盖所述第一键合金属图形；其中，所述器件保护结构包括第一槽型腔体，所述第一槽型腔体的底面为所述第一键合金属图形；在第二器件结构上制作第二键合金属图形，所述第二键合金属图形和所述第一键合金属图形对应；基于所述第一键合金属图形和所述第二键合金属图形，在所述第一槽型腔体中对所述第一器件结构和所述第二器件结构进行共晶键合，使得共晶键合时外溢的液相合金流入所述第一槽型腔体内。优选的，所述在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形，具体包括：在所述第一器件结构进行金属淀积、光刻、刻蚀工艺，获得所述第一键合金属图形；或者在所述第一器件结构进行金属蒸发、光刻、刻蚀工艺，获得所述第一键合金属图形。优选的，所述基于所述第一键合金属图形制作器件保护结构，具体包括：在所述第一键合金属图形上淀积绝缘介质，形成所述器件保护结构，并且所述绝缘介质的完全覆盖所述第一键合金属图形；对所述绝缘介质进行光刻及刻蚀，使得所述绝缘介质和所述第一键合金属图形共同形成所述第一槽型腔体，所述第一槽型腔体的腔壁为所述绝缘介质，所述第一槽型腔体的底面为所述第一键合金属图形。优选的，所述第一槽型腔体的腔壁和所述第一槽型腔体的底面的夹角为：75°±10°。优选的，所述绝缘介质的材料包括：二氧化硅。优选的，所述绝缘介质的厚度是所述第一键合金属图形的厚度的两倍及以上。优选的，所述在第二器件结构上制作第二键合金属图形之前，所述方法还包括：在所述第二器件结构上制作第二槽型腔体。优选的，所述在第二器件结构上制作第二键合金属图形，具体包括：在所述第二器件结构上进行金属淀积、光刻、刻蚀工艺，获得所述第二键合金属图形；或者在所述第二器件结构进行金属蒸发、光刻、刻蚀工艺，获得所述第二键合金属图形。优选的，所述第二键合金属图形的厚度大于所述绝缘介质的厚度和所述第一键合金属图形厚度的差值。优选的，当所述第一器件结构是器件硅片时，所述第二器件结构是盖帽硅片；当所述第一器件结构是所述盖帽硅片，所述第二器件结构是所述器件硅片。本专利技术的技术方案还公开了一种器件，所述器件采用上述任意一项技术方案制作而成。通过本专利技术的一个或者多个技术方案，本专利技术具有以下有益效果或者优点：现有金属共晶键合的结构设计都是在器件硅片及盖帽硅片上制作出金属键合环，然后直接进行共晶键合。由于进行金属共晶键合的两种金属是以液相共融的方式结合在一起，现有的方式没有考虑到这种共晶键合自身的特点，不可避免的会有部分液相合金溢出键合界面，掉落并且粘连在器件结构上，因此会对器件结构部分会造成一定几率损坏，这种现象严重的影响了器件生产制造的良率。本专利技术的目的是针对此缺陷设计一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法，先在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形，然后基于所述第一键合金属图形制作器件保护结构；所述器件保护结构完全覆盖所述第一键合金属图形，并且所述器件保护结构包括第一槽型腔体，所述第一槽型腔体的底面为所述第一键合金属图形；然后在第二器件结构上制作出和第一键合金属图形对<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法，其特征在于，所述方法包括：在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形；基于所述第一键合金属图形制作器件保护结构；其中，所述器件保护结构包括第一槽型腔体，所述第一槽型腔体的底面为所述第一键合金属图形；在第二器件结构上制作第二键合金属图形，所述第二键合金属图形和所述第一键合金属图形对应；基于所述第一键合金属图形和所述第二键合金属图形，在所述第一槽型腔体中对所述第一器件结构和所述第二器件结构进行共晶键合，使得共晶键合时外溢的液相合金流入所述第一槽型腔体内。

【技术特征摘要】
1.一种阻止金属共晶键合合金外溢的方法，其特征在于，所述方法包
括：
在第一器件结构的器件衬底上制作第一键合金属图形；
基于所述第一键合金属图形制作器件保护结构；其中，所述器件保护结构
包括第一槽型腔体，所述第一槽型腔体的底面为所述第一键合金属图形；
在第二器件结构上制作第二键合金属图形，所述第二键合金属图形和所述
第一键合金属图形对应；
基于所述第一键合金属图形和所述第二键合金属图形，在所述第一槽型腔
体中对所述第一器件结构和所述第二器件结构进行共晶键合，使得共晶键合时
外溢的液相合金流入所述第一槽型腔体内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第一器件结构的器件衬
底上制作第一键合金属图形，具体包括：
在所述第一器件结构进行金属淀积、光刻、刻蚀工艺，获得所述第一键合
金属图形；或者
在所述第一器件结构进行金属蒸发、光刻、刻蚀工艺，获得所述第一键合
金属图形。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一键合金属图
形制作器件保护结构，具体包括：
在所述第一键合金属图形上淀积绝缘介质，形成所述器件保护结构，并且
所述绝缘介质的完全覆盖所述第一键合金属图形；
对所述绝缘介质进行光刻及刻蚀，使得所述绝缘介质和所述第一键合金属
图形共同形成所述第一槽型腔体，所述第一槽型腔体...

【专利技术属性】
技术研发人员：云世昌，焦斌斌，张乐民，孔延梅，刘瑞文，陈大鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11